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6.2: 세균 신호
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Biology

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Education
Bacterial Signaling
 
전사물

6.2: Bacterial Signaling

6.2: 세균 신호

Overview

At times, a group of bacteria behaves like a community. To achieve this, they engage in quorum sensing, the perception of higher cell density that results in a shift in gene expression. Quorum sensing involves both extracellular and intracellular signaling. The signaling cascade starts with a molecule called an autoinducer (AI). Individual bacteria produce AIs that move out of the bacterial cell membrane into the extracellular space. AIs can move passively along a concentration gradient out of the cell, or be actively transported across the bacterial membrane.

The Extracellular Concentration of AIs Gives Signals to Bacteria

When cell density in the bacterial populations is low, the AIs diffuse away from the bacteria, keeping the environmental concentration of AIs low. As bacteria reproduce and continue to excrete AIs, the concentration of AIs increases, eventually reaching a threshold concentration. This threshold permits AIs to bind membrane receptors on the bacteria, triggering changes in gene expression across the whole bacterial community.

Gram Staining

Many bacteria are broadly classified as gram positive or gram negative. These terms refer to the color that the bacteria take on when treated with a series of staining solutions which were developed by Hans Christian Joachim Gram over a century ago. If bacteria pick up a purple color, they are gram-positive; if they look red, they are gram-negative. These stain colors are picked up by the bacteria because of the different chemistries of their cell walls. The different composition of the bacterial cell walls determine the ways the bacteria interact with each other and their environment and are often directly involved in causing disease. For example, the cell walls of gram-negative bacteria are mainly made of lipopolysaccharide, also known as endotoxin, which causes septic shock in a patient’s blood.

Quorum Sensing in Gram Positive and Gram Negative Bacteria

In gram-positive bacteria, quorum sensing most often occurs in two steps. First, the AI, an autoinducing peptide (AIP), binds a membrane receptor when the external concentration is sufficiently high. The binding activates internal enzymes, so-called second messenger kinases that phosphorylate transcription factors. The transcription factors then regulate the expression of different genes.

In the case of many gram-negative bacteria, however, quorum sensing takes place in a one-step process. When the external concentration of AIs reaches the threshold, the AI crosses the membrane (via a transporter) and reenters the cell. Once inside, it may directly interact with transcription factors to regulate gene expression. This type of signaling does not require an intermediary or second messenger. The AI itself is the messenger. However, even without a second messenger, the intracellular signaling can be complicated.

Signaling in a Bacteria That Produces Light

One example of this is the bacteria Photorhabdus luminescens, which is gram negative. It produces autoinducer 2 (AI-2) as a quorum sensing signal and as an intracellular signal. The bacteria release AI-2 into the environment. When AI-2 reaches threshold levels outside the bacterial cells, AI-2 binds to an ATP-binding cassette (ABC) transporter on the bacterial membrane, and it is re-internalized by the ABC transporter. Then, an intracellular kinase, LsrK, phosphorylates AI-2 itself. Once activated in this way, AI-2 itself can perform as a transcription factor, activating genes which encode the enzyme luciferase. Luciferase produces light when catalyzing specific reactions. Thus only when the Photorhabdus luminescens population reaches a critical density can you see their bioluminescence. It has been suggested that this bacteria was responsible for the bluish-green glow seen in the wounds of some US Civil War soldiers after the battle of Shiloh.

Quorum Signaling and Bacterial Infections of Implanted Medical Devices

The spread of bacteria across the surface of medical implants occurs through quorum signaling and can cause life-threatening infections. A great deal of research is ongoing, to find ways to stop bacterial biofilms from forming in medical settings. Much of this research focuses on developing new materials that are not amenable to bacterial growth. However, biological compounds, including substances produced by some kinds of bacteria, are also being investigated for their bacterial inhibition properties.

개요

때때로, 박테리아의 그룹은 지역 사회 같이 행동합니다. 이를 달성하기 위해, 그들은 정족수 감지에 종사, 유전자 발현의 변화를 초래 높은 세포 밀도의 지각. 쿼럼 감지에는 세포 외 및 세포 내 신호가 모두 포함됩니다. 신호 캐스케이드는 자가 유도제 (AI)에게 불린 분자로 시작됩니다. 개별 박테리아는 세포외 공간으로 세균성 세포막에서 이동하는 AI를 생성합니다. AI는 세포 에서 농도 그라데이션을 따라 수동적으로 이동하거나 세균 막을 통해 적극적으로 운반 될 수 있습니다.

AIs의 세포 외 농도는 박테리아에 신호를 제공합니다

세균 성 집단의 세포 밀도가 낮을 때, AI는 박테리아로부터 확산되어 AI의 환경 농도를 낮게 유지합니다. 박테리아가 AI를 재생하고 계속 배설함에 따라 AI의 농도가 증가하여 결국 임계 값 농도에 도달합니다. 이 임계값은 AI가 박테리아에 막 수용체를 결합하는 것을 허용하고, 전체 세균성 지역 사회에 걸쳐 유전자 발현의 변경을 트리거합니다.

그램 염색

많은 박테리아는 광범위하게 그램 양성 또는 그램 부정적인 로 분류. 이 용어는 한스 크리스티안 요아킴 그램이 100년 전에 개발한 일련의 염색 솔루션으로 치료할 때 박테리아가 취하는 색상을 참조합니다. 박테리아가 보라색 색상을 선택하는 경우, 그들은 그램 긍정적이다; 빨간색으로 보이면 그램 음성입니다. 이 얼룩 색깔은 그들의 세포벽의 다른 화학 때문에 박테리아에 의해 포착됩니다. 세균성 세포벽의 다른 조성은 박테리아가 서로 그들의 환경과 상호 작용하는 방법을 결정하고 수시로 질병을 일으키는 원인이 되기에서 직접 관련시게 합니다. 예를 들어, 그람 음성 박테리아의 세포벽은 주로 환자의 혈액에 있는 패혈증 충격을 일으키는 원인이 되는 endotoxin로 알려져 있는 리포폴리사카라이드로 만들어집니다.

그람 양성 및 그람 부정적인 박테리아에 쿼럼 감지

그램 양성 박테리아에서, 정원회 감지는 가장 자주 두 단계로 발생합니다. 첫째, AI, 자동 유도 펩티드(AIP)는 외부 농도가 충분히 높을 때 멤브레인 수용체를 결합한다. 결합은 내부 효소를 활성화, 소위 두 번째 메신저 키나아제는 인광 전사 인자를. 전사 요인은 그 때 다른 유전자의 발현을 통제합니다.

많은 그램 음성 박테리아의 경우, 그러나, 쿼럼 감지는 1 단계 과정에서 일어난다. AI의 외부 농도가 임계값에 도달하면 AI는 멤브레인(이송기를 통해)을 교차하고 세포를 다시 입력합니다. 일단 안쪽으로, 유전자 발현을 통제하는 전사 요인과 직접 상호 작용할 수 있습니다. 이러한 유형의 신호는 중개자 나 두 번째 메신저가 필요하지 않습니다. AI 자체는 메신저입니다. 그러나, 두 번째 메신저없이도, 세포 내 신호는 복잡 할 수 있습니다.

빛을 생성하는 박테리아의 신호

이 것의 한 가지 예는 박테리아 Photorhabdus 발광,그램 부정적인. 그것은 정수감지 신호로 및 세포내 신호로 자동 유도제 2 (AI-2)를 생성합니다. 박테리아는 환경으로 AI-2를 방출합니다. AI-2가 세균 세포 외부의 임계값 수준에 도달하면 AI-2는 세균막에 ATP 결합 카세트(ABC) 수송기로 결합하고 ABC 수송기로 재인산화됩니다. 그런 다음, 세포 내 키나아제, LsrK, 인광 AI-2 자체. 일단 이런 식으로 활성화되면, AI-2 자체는 효소 루시파라제를 인코딩하는 유전자를 활성화하는 전사 인자로 능력을 발휘할 수 있습니다. 루시파라제는 특정 반응을 촉매할 때 빛을 생성합니다. 따라서 Photorhabdus 발광 인구가 임계 밀도에 도달 할 때만 생물 발광을 볼 수 있습니다. 이 박테리아는 실로 전투 후 일부 미국 남북 전쟁 군인의 상처에서 볼 푸른 녹색 빛에 대한 책임이 있음을 제안했다.

정족수 시그널링 및 이식된 의료기기의 세균감염

의학 임플란트의 표면에 걸쳐 박테리아의 확산쿼럼 신호를 통해 발생하고 생명을 위협하는 감염을 일으킬 수 있습니다. 연구의 큰 거래는 진행, 의료 환경에서 형성에서 세균 성 생물 막을 수 있는 방법을 찾기 위해. 이 연구의 대부분은 세균 성장에 순종하지 않는 새로운 물질을 개발에 초점을 맞추고 있습니다. 그러나, 생물 화합물, 박테리아의 어떤 종류에 의해 생산 하는 물질을 포함 하 여, 또한 그들의 세균 억제 속성에 대 한 조사 되 고.


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